EP2445076A1 - Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last - Google Patents

Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last Download PDF

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EP2445076A1
EP2445076A1 EP10187992A EP10187992A EP2445076A1 EP 2445076 A1 EP2445076 A1 EP 2445076A1 EP 10187992 A EP10187992 A EP 10187992A EP 10187992 A EP10187992 A EP 10187992A EP 2445076 A1 EP2445076 A1 EP 2445076A1
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EP
European Patent Office
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power supply
phases
supply device
filter circuit
power
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Withdrawn
Application number
EP10187992A
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English (en)
French (fr)
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Kwok Tung Wong
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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Priority to CA2814978A priority patent/CA2814978A1/en
Priority to ES11773713T priority patent/ES2733554T3/es
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
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    • G05F1/70—Regulating power factor; Regulating reactive current or power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
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    • H02J3/1835—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • H02J3/1842—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters
    • H02J3/1857—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters wherein such bridge converter is a multilevel converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/20—Active power filtering [APF]

Definitions

  • Nonlinear, time-varying loads such as three-phase arc furnaces can result in significant network perturbations, in particular so-called flicker.
  • power supply systems for non-linear, time-varying loads usually have a reactive power compensator.
  • the reactive power compensator is connected in parallel to the non-linear, time-varying load.
  • the reactive power compensator may be formed as a so-called TCR (thyristor controlled reactor), see for example the EP 0 847 612 B1 ,
  • a power supply device of the type mentioned is for example from the DE 10 2008 049 610 A1 and the EP 2 202 863 A1 known.
  • the multilevel converter can alternatively be connected in star or delta connection to the phases of the power system.
  • the multilevel converter is always connected in delta connection to the phases of the power system.
  • the multilevel converter has to absorb energy through one of its strings at a given time and at the same time be able to deliver energy via another of its strings. This can very quickly lead to an exceeding of permissible voltage limits, which result in a blocking of the multilevel converter, both in the case of a delta connection and in the case of a star connection.
  • the object of the present invention is to design a power supply device of the type mentioned in such a way that the multilevel converter can be operated reliably in a simple manner.
  • the further device is designed as a zigzag winding.
  • the power supply device has a power transformer, via which the phases of the power system can be supplied with electrical energy.
  • the zigzag winding may alternatively be incorporated as a secondary winding in the power transformer or be designed as a different from the power transformer zigzag transformer.
  • the former embodiment is particularly advantageous when the power supply device is recreated.
  • the last-mentioned embodiment can also be implemented if an existing power supply device is to be converted into a power supply device according to the invention.
  • the zigzag winding is formed as a zigzag transformer different from the power transformer, preferably at least one of the star points of the power transformer and the zigzag transformer is not grounded.
  • the power supply device has a filter circuit, via which harmonics of load and converter currents can be filtered.
  • the filter circuit has a plurality of strings, which are connected to one another in each case with one of the phases of the current system and, on the other hand, to a common neutral point of the filter circuit. It is possible that the further device is identical to the filter circuit. In this case, no zigzag winding is needed.
  • a throttle is preferably arranged between the common star point of the filter circuit and the common neutral point of the multilevel converter.
  • the throttle may in particular be dimensioned such that the combined impedance of throttle and filter circuit is zero.
  • the power supply device has, in addition to the above-mentioned filter circuit, at least one further filter circuit via which harmonics of the load and converter currents can also be filtered.
  • the number of phases of the power system can be determined as needed. As a rule, there are three phases.
  • FIG. 1 is a non-linear, time-varying load 1 - purely by way of example - designed as an electric arc furnace.
  • the electric arc furnace 1 is supplied with electrical energy via a power system 2.
  • the power system 2 has several phases 3.
  • the electric arc furnace 1 is connected to the phases 3 of the power system 2.
  • the number of phases 3 may be determined as needed. As a rule and according to the representation of FIG. 1 There are three phases 3 available.
  • the voltage applied to the electric arc furnace 1 is usually relatively low. It is typically in the range between several hundred volts and two kilovolts.
  • the voltage of the power system 2 is usually much higher. It is usually in the double-digit kilovolt range or just above. Typical voltages of the power system 2 are 11 kilovolts, 30 kilovolts and 110 kilovolts.
  • a furnace transformer is arranged between the electric arc furnace 1 and the phases 3 of the power system 2, therefore, a furnace transformer is arranged. In the context of the present invention, however, the furnace transformer is only of minor importance and therefore in FIG. 1 not shown.
  • the power system 2 may be an external, larger power system. Alternatively, it may be an internal power system of the operator of the arc furnace 1. In the case of an internal power system, it may be an independent power system.
  • the power supply device may comprise a power transformer 4, via which the phases 3 of the power system 2 from an external network can be supplied with electrical energy.
  • the external network may have a relatively high voltage of, for example, 110 kilovolts or 380 kilovolts.
  • a reactive power compensator 5 is further turned on.
  • the reactive power compensator 5 is designed as a multilevel converter with multiple strands 6. According to FIG. 1 are the strands 6 of the multilevel converter 5 on the one hand connected to one of the phases 3 of the power system 2 and on the other hand to a common star point 7 with each other.
  • Multilevel converters 5 are generally known as such.
  • each module comprises a storage capacitor and self-commutated semiconductor switches.
  • self-guided means that the semiconductor switches by the semiconductor switch externally supplied control signals are both switched on and off.
  • the self-commutated semiconductor switches can be designed as IGBTs or as GTO thyristors.
  • the term “self-guided” thus stands in contrast to the term “net-guided”. This term means that the respective switching element can indeed be selectively switched on, but can not be switched off by an external control signal.
  • An example of a net-driven semiconductor switching element is a "normal" thyristor.
  • the semiconductor switches of each module are independently switchable from the semiconductor switches of the other modules of the same strand 6 and the other strands 6. Depending on the respective switching state of the semiconductor switch of the corresponding module, the respective storage capacitor of the respective module is alternatively bridged or active. Details on structure, operation and operation of the multilevel converter 5 are, for example, the US Pat. No. 6,075,350 A and the EP 2 202 863 A1 refer to.
  • the power supply device furthermore has at least one filter circuit 8, 9. Shown in FIG. 1 two such filter circuits 8, 9. About each filter circuit 8, 9 are harmonics of load and converter currents can be filtered. The harmonics are caused by the operation of the arc furnace 1.
  • Each filter circuit 8, 9 is designed for a specific filter frequency.
  • Each filter circuit 8, 9 has a plurality of strands 10, 11.
  • Each strand 10, 11 of the respective filter circuit 8, 9 is on the one hand connected to one of the phases 3 of the power system 2.
  • the strands 10, 11 of the respective filter circuit 8, 9 are connected to each other at a respective common star point 12, 13 of the respective filter circuit 8, 9.
  • the filter circuits 8, 9 falls to a respective compensating filter performance.
  • the filter performance of the filter circuits 8, 9 are usually different from each other.
  • the filter circuits 8, 9 are designed for the respective filter power to be compensated.
  • the individual strands 6 of the multilevel converter 5 must be able to receive and deliver currents.
  • the currents flowing in the individual strings 6 of the multilevel converter 5 are generally different from each other.
  • a circulating current within the multilevel converter 5 is not possible or at least not readily possible.
  • a zigzag winding 14 is available.
  • the zigzag winding 14 is connected to the phases 3 of the power system 2.
  • the zigzag winding 14 is installed as a secondary winding in the power transformer 4. It thus assumes the "normal" function of the secondary winding to feed the phases 3 of the power system 2 from the external network.
  • the zigzag winding 14 is formed as a zigzag transformer different from the power transformer 4.
  • the common star point 7 of the multilevel converter 5 is in the embodiments of FIG. 2 and 3 connected to a neutral point 15 of the zigzag winding 14.
  • the common neutral point 7 of the multilevel converter 5 is connected both to the phases 6 of the multilevel converter 5 and to the phases 3 of the current system 2 via the zigzag winding 14.
  • the connection via the zigzag winding 14 is (due to the type of typical characteristics of zigzag windings) such that - based on the connection via the zigzag winding 14 - with respect to the current zero system of the power system 2, a low-resistance connection of the common neutral point 7 of the multilevel converter 5 with the phases 3rd of the power system 2 consists.
  • the current counter-system also has three vectors of equal amplitude, hereinafter referred to as A ', B' and C '. Also, the vectors A ', B', C 'have a phase shift of 120 ° electrically relative to each other. They rotate in the same direction to the vectors A, B and C of the current system. However, the sequence of vectors A ', B' and C 'of the current counter-system is reversed relative to the vectors A, B and C of the current-carrying system. The order is therefore C ', B', A '.
  • the current zero system has three vectors of equal amplitude, hereafter referred to as A “, B” and C "The phase offset of the vectors A", B “and C” relative to each other is zero.
  • the vectors A “, B” and C therefore rotate in phase, rotating in the same direction as the vectors A, B, C of the current-carrying system.
  • the currents described by the vectors A, A 'and A flow in one of the phases 3 of the current system 2.
  • the currents B, B' and B flow in another of the phases 3 of the current system 2.
  • the currents C, C 'and C flow in the third of the phases 3 of the power system 2.
  • the amplitudes of the vectors A, B, C of the current system, the vectors A ', B', C 'of the countercurrent system and the vectors A ", B", C "of the current zero system can be different, and the phase angles of the vector A to the vector A 'and the vector A "may be different from each other.
  • the current system, the negative current system and the zero current system define the currents flowing in phases 3 of the power system 2.
  • the (common) neutral point 15 of the zigzag winding 14 may be grounded.
  • one of the two neutral points 15, 16 of mains transformer 4 and zigzag transformer 14 can be earthed.
  • the common star point 7 of the multilevel converter 5 is connected to the neutral point 12, 13 of one of the filter circuits 8, 9.
  • the common star point 7 of the multilevel converter 5 thus on the one hand on the strands 6 of the multilevel converter 5 and on the other hand connected via the corresponding filter circuit 8 with the phases 3 of the power system 2.
  • a throttle 17 may be arranged.
  • the throttle 17 may in particular be dimensioned such that the combined impedance of throttle 17 and filter circuit 8 is zero.
  • the present invention has many advantages.
  • the voltage load of the multilevel converter 5 in the embodiment according to the invention is lower by a factor of 1.7320 than in the case of a delta connection.
  • the power supply device according to the invention can therefore be realized considerably cheaper with the same performance as a comparable power supply device of the prior art.
  • savings of 20% to 40% are possible.
  • retrofitting savings are also possible, even if they are slightly lower.

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Abstract

Eine Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last (1) weist ein Stromsystem (2) mit mehreren Phasen (3) auf. An die Phasen (3) des Stromsystems (2) sind die nichtlineare, zeitlich variierende Last (1) und ein Blindleistungskompensator (5) angeschaltet. Der Blindleistungskompensator (5) ist als Multilevelkonverter mit mehreren Strängen (6) ausgebildet. Die Stränge (6) des Multilevelkonverters (5) sind einerseits mit je einer der Phasen (3) des Stromsystems (2) und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt (7) miteinander verbunden. Der gemeinsame Sternpunkt (7) des Multilevelkonverters (5) ist mit einem Sternpunkt (12, 15) einer weiteren an die Phasen (3) des Stromsystems (2) angeschalteten Einrichtung (8, 14) verbunden, so dass der gemeinsame Sternpunkt (7) des Multilevelkonverters (5) sowohl über die Stränge (6) des Multilevelkonverters (5) als auch über die weitere Einrichtung (8, 14) mit den Phasen (3) des Stromsystems (2) verbunden ist. Die Verbindung über die weitere Einrichtung (8, 14) ist derart ausgebildet, dass in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems (2) eine niederohmige und in Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems (2) und das Stromgegensystem des Stromsystems (2) eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts (7) des Multilevelkonverters (5) mit den Phasen (3) des Stromsystems (2) besteht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last,
    • wobei die Stromversorgungseinrichtung ein Stromsystem mit mehreren Phasen aufweist,
    • wobei an die Phasen des Stromsystems die nichtlineare, zeitlich variierende Last und ein Blindleistungskompensator angeschaltet sind,
    • wobei der Blindleistungskompensator als Multilevelkonverter mit mehreren Strängen ausgebildet ist,
    • wobei die Stränge des Multilevelkonverters einerseits mit je einer der Phasen des Stromsystems und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sind.
  • Nichtlineare, zeitlich variierende Lasten wie beispielsweise Drehstrom-Lichtbogenöfen können deutliche Netzrückwirkungen zur Folge haben, insbesondere sogenannten Flicker. Aus diesem Grund weisen Stromversorgungsanlagen für nichtlineare, zeitlich variierenden Lasten in der Regel einen Blindleistungskompensator auf. Der Blindleistungskompensator ist der nichtlinearen, zeitlich variierenden Last parallel geschaltet. Im einfachsten Fall kann der Blindleistungskompensator als sogenannter TCR (thyristor controlled reactor) ausgebildet sein, siehe beispielsweise die EP 0 847 612 B1 .
  • Eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2008 049 610 A1 und der EP 2 202 863 A1 bekannt.
  • Im Stand der Technik ist zwar ausdrücklich erwähnt, dass der Multilevelkonverter alternativ in Stern- oder in Dreieckschaltung an die Phasen des Stromsystems angeschaltet sein kann. In der Praxis ist der Multilevelkonverter jedoch stets in Dreieckschaltung an die Phasen des Stromsystems angeschaltet. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Multilevelkonverter zu einem bestimmten Zeitpunkt über einen seiner Stränge Energie absorbieren und zugleich über einen anderen seiner Stränge Energie abgeben können muss. Dies kann - sowohl bei einer Dreieckschaltung als auch bei einer Sternschaltung - sehr schnell zu einem Überschreiten zulässiger Spannungsgrenzen führen, die ein Blockieren des Multilevelkonverters zur Folge haben.
  • Bei einer Anschaltung des Multilevelkonverters in Dreieckschaltung ist jedoch bekannt, die Spannungsgrenzen dadurch einzuhalten, dass innerhalb des von den Strängen des Multilevelkonverters gebildeten Kreises ein entsprechender Stromfluss generiert wird, der sich aufbauende Spannungen im zulässigen Rahmen hält. Ein derartiger Nullstromfluss ist bei einer Sternschaltung nicht ohne Weiteres möglich.
  • Es ist weiterhin bekannt, innerhalb des Multilevelkonverters einen hochfrequent betriebenen Wechselspannungskreis vorzusehen, welcher die einzelnen Gleichspannungskreise aller Module aller Stränge des Multilevelkonverters miteinander verbindet. Der Energieaustausch erfolgt bei dieser Ausgestaltung über eine Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandlung nebst nachgeschalteter Wechselspannungs-Gleichspannungs-Wandlung. Diese Ausgestaltung des Multilevelkonverters ist sowohl in Dreieckals auch in Sternschaltung verwendbar. Die Ausgestaltung des Multilevelkonverters ist in diesem Fall jedoch sehr komplex. Weiterhin ist der mögliche Energietransfer pro Zeiteinheit relativ gering.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass der Multilevelkonverter auf einfache Weise betriebssicher betreibbar ist.
  • Die Aufgabe wird durch eine Stromversorgungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, eine Stromversorgungseinrichtung der eingangs genannten Art dadurch auszugestalten,
    • dass der gemeinsame Sternpunkt des Multilevelkonverters mit einem Sternpunkt einer weiteren an die Phasen des Stromsystems angeschalteten Einrichtung verbunden ist, so dass der gemeinsame Sternpunkt des Multilevelkonverters sowohl über die Stränge des Multilevelkonverters als auch über die weitere Einrichtung mit den Phasen des Stromsystems verbunden ist, und
    • dass die Verbindung über die weitere Einrichtung derart ausgebildet ist, dass in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems eine niederohmige und in Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems und das Stromgegensystem des Stromsystems eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts des Multilevelkonverters mit den Phasen des Stromsystems besteht.
  • In einer ersten möglichen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung ist vorgesehen, dass die weitere Einrichtung als Zickzackwicklung ausgebildet ist.
  • In der Regel weist die Stromversorgungseinrichtung einen Netztransformator auf, über den die Phasen des Stromsystems mit elektrischer Energie versorgbar sind. In diesem Fall kann die Zickzackwicklung alternativ als Sekundärwicklung in den Netztransformator eingebaut sein oder als vom Netztransformator verschiedener Zickzacktransformator ausgebildet sein. Die erstgenannte Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Stromversorgungseinrichtung neu erstellt wird. Die letztgenannte Ausgestaltung ist auch dann realisierbar, wenn eine bestehende Stromversorgungseinrichtung zu einer erfindungsgemäßen Stromversorgungseinrichtung umgestaltet werden soll.
  • Wenn die Zickzackwicklung als vom Netztransformator verschiedener Zickzacktransformator ausgebildet ist, ist vorzugsweise mindestens einer der Sternpunkte des Netztransformators und des Zickzacktransformators nicht geerdet.
  • In der Regel weist die Stromversorgungseinrichtung einen Filterkreis auf, über den Oberschwingungen von Last- und Konverterströmen filterbar sind. Der Filterkreis weist in diesem Fall mehrere Stränge auf, die einerseits mit je einer der Phasen des Stromsystems und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt des Filterkreises miteinander verbunden sind. Es ist möglich, dass die weitere Einrichtung mit dem Filterkreis identisch ist. In diesem Fall wird keine Zickzackwicklung benötigt.
  • Im Falle der Verwendung des Filterkreises als weitere Einrichtung ist vorzugsweise zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt des Filterkreises und dem gemeinsamen Sternpunkt des Multilevelkonverters eine Drossel angeordnet. Die Drossel kann insbesondere derart dimensioniert sein, dass die kombinierte Impedanz von Drossel und Filterkreis Null ist.
  • In der Regel weist die Stromversorgungseinrichtung zusätzlich zu dem oben genannten Filterkreis mindestens einen weiteren Filterkreis auf, über den ebenfalls Oberschwingungen der Last- und Konverterströme filterbar sind.
  • Die Anzahl an Phasen des Stromsystems kann nach Bedarf bestimmt sein. In der Regel sind drei Phasen vorhanden.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung:
    • FIG 1
    den prinzipiellen Aufbau einer Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last und
    FIG 2 bis 4
    je eine mögliche erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stromversorgungseinrichtung von FIG 1.
  • Gemäß FIG 1 ist eine nichtlineare, zeitlich variierende Last 1 - rein beispielhaft - als elektrischer Lichtbogenofen ausgebildet. Der Lichtbogenofen 1 wird über ein Stromsystem 2 mit elektrischer Energie versorgt. Das Stromsystem 2 weist mehrere Phasen 3 auf. Der Lichtbogenofen 1 ist an die Phasen 3 des Stromsystems 2 angeschaltet. Die Anzahl an Phasen 3 kann nach Bedarf bestimmt sein. In der Regel und entsprechend der Darstellung von FIG 1 sind drei Phasen 3 vorhanden.
  • Die am Lichtbogenofen 1 anliegende Spannung ist in der Regel relativ niedrig. Sie liegt typischerweise im Bereich zwischen mehreren hundert Volt und zwei Kilovolt. Die Spannung des Stromsystems 2 hingegen liegt in der Regel erheblich höher. Meist liegt sie im zweistelligen Kilovoltbereich oder knapp darüber. Typische Spannungen des Stromsystems 2 sind 11 Kilovolt, 30 Kilovolt und 110 Kilovolt. Zwischen dem Lichtbogenofen 1 und den Phasen 3 des Stromsystems 2 ist daher ein Ofentransformator angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist der Ofentransformator jedoch nur von untergeordneter Bedeutung und daher in FIG 1 nicht dargestellt.
  • Bei dem Stromsystem 2 kann es sich um ein externes, größeres Stromsystem handeln. Alternativ kann es sich um ein internes Stromsystem des Betreibers des Lichtbogenofens 1 handeln. Im Falle eines internen Stromsystems kann es sich um ein eigenständiges Stromsystem handeln. Alternativ kann die Stromversorgungseinrichtung einen Netztransformator 4 aufweisen, über den die Phasen 3 des Stromsystems 2 aus einem externen Netz mit elektrischer Energie versorgbar sind. Das externe Netz kann eine relativ hohe Spannung von beispielsweise 110 Kilovolt oder 380 Kilovolt aufweisen.
  • An die Phasen 3 des Stromsystems 2 ist weiterhin ein Blindleistungskompensator 5 angeschaltet. Der Blindleistungskompensator 5 ist als Multilevelkonverter mit mehreren Strängen 6 ausgebildet. Gemäß FIG 1 sind die Stränge 6 des Multilevelkonverters 5 einerseits mit je einer der Phasen 3 des Stromsystems 2 und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt 7 miteinander verbunden.
  • Multilevelkonverter 5 sind als solche allgemein bekannt. Bei ihnen besteht jeder Strang 6 aus einer mehrstufigen Reihenschaltung von Modulen, wobei jedes Modul einen Speicherkondensator und selbstgeführte Halbleiterschalter umfasst. Der Begriff "selbstgeführt" bedeutet, dass die Halbleiterschalter durch den Halbleiterschalter von außen zugeführte Steuersignale sowohl zuschaltbar als auch abschaltbar sind. Beispielsweise können die selbstgeführten Halbleiterschalter als IGBTs oder als GTO-Thyristoren ausgebildet sein. Der Begriff "selbstgeführt" steht somit im Gegensatz zum Begriff "netzgeführt". Dieser Begriff bedeutet, dass das jeweilige Schaltelement zwar gezielt zugeschaltet werden kann, jedoch nicht durch ein externes Steuersignal abgeschaltet werden kann. Ein Beispiel eines netzgeführten Halbleiterschaltelements ist ein "normaler" Thyristor.
  • Die Halbleiterschalter jedes Moduls sind unabhängig von den Halbleiterschaltern der anderen Module desselben Strangs 6 und der anderen Stränge 6 schaltbar. In Abhängigkeit von dem jeweiligen Schaltzustand der Halbleiterschalter des entsprechenden Moduls ist der jeweilige Speicherkondensator des jeweiligen Moduls alternativ überbrückt oder aktiv. Details zu Aufbau, Wirkungsweise und Betrieb des Multilevelkonverters 5 sind beispielsweise der US 6 075 350 A und der EP 2 202 863 A1 zu entnehmen.
  • Die Stromversorgungseinrichtung weist in der Regel weiterhin mindestens einen Filterkreis 8, 9 auf. Dargestellt sind in FIG 1 zwei derartige Filterkreise 8, 9. Über jeden Filterkreis 8, 9 sind Oberschwingungen von Last- und Konverterströmen filterbar. Die Oberschwingungen sind durch den Betrieb des Lichtbogenofens 1 hervorgerufen.
  • Jeder Filterkreis 8, 9 ist auf eine bestimmte Filterfrequenz ausgelegt. Jeder Filterkreis 8, 9 weist mehrere Stränge 10, 11 auf. Jeder Strang 10, 11 des jeweiligen Filterkreises 8, 9 ist einerseits mit je einer der Phasen 3 des Stromsystems 2 verbunden. Weiterhin sind die Stränge 10, 11 des jeweiligen Filterkreises 8, 9 an einem jeweiligen gemeinsamen Sternpunkt 12, 13 des jeweiligen Filterkreises 8, 9 miteinander verbunden.
  • Bei den Filterkreisen 8, 9 fällt eine jeweilige zu kompensierende Filterleistung an. Die Filterleistungen der Filterkreise 8, 9 sind in der Regel verschieden voneinander. Die Filterkreise 8, 9 sind auf die jeweils zu kompensierende Filterleistung ausgelegt.
  • Die einzelnen Stränge 6 des Multilevelkonverters 5 müssen Ströme aufnehmen und abgeben können. Die in den einzelnen Strängen 6 des Multilevelkonverters 5 fließenden Ströme sind in der Regel verschieden voneinander. Im Gegensatz zu einer Dreieckschaltung der Stränge 6, bei der die Stränge 6 des Multilevelkonverters 5 mit je zwei der Phasen 3 des Stromsystems 2 verbunden sind, ist ein Kreisstrom innerhalb des Multilevelkonverters 5 nicht möglich bzw. zumindest nicht ohne Weiteres möglich. In Verbindung mit den FIG 2 bis 4 werden nachfolgend erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stromversorgungseinrichtung von FIG 1 erläutert, bei denen der Nullstrom - in den FIG 2 bis 4 mit I0 bezeichnet - anderweitig realisierbar ist.
  • Gemäß den FIG 2 und 3 ist eine Zickzackwicklung 14 vorhanden. Die Zickzackwicklung 14 ist an die Phasen 3 des Stromsystems 2 angeschaltet. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 2 ist die Zickzackwicklung 14 als Sekundärwicklung in den Netztransformator 4 eingebaut. Sie übernimmt also die "normale" Funktion der Sekundärwicklung, die Phasen 3 des Stromsystems 2 aus dem externen Netz zu speisen. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 3 ist die Zickzackwicklung 14 als vom Netztransformator 4 verschiedener Zickzacktransformator ausgebildet.
  • Der gemeinsame Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 ist bei den Ausgestaltungen der FIG 2 und 3 mit einem Sternpunkt 15 der Zickzackwicklung 14 verbunden. Dadurch ist der gemeinsame Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 sowohl über die Stränge 6 des Multilevelkonverters 5 als auch über die Zickzackwicklung 14 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 verbunden. Die Verbindung über die Zickzackwicklung 14 ist (aufgrund der bauarttypischen Eigenschaften von Zickzackwicklungen) derart, dass - bezogen auf die Verbindung über die Zickzackwicklung 14 - in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems 2 eine niederohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts 7 des Multilevelkonverters 5 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 besteht. In Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems 2 und das Stromgegensystem des Stromsystems 2 besteht - bezogen auf die Verbindung über die Zickzackwicklung 14 - jedoch nur eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts 7 des Multilevelkonverters 5 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2.
  • Die Begriffe "Stromnullsystem", "Strommitsystem" und "Stromgegensystem" sind in Verbindung mit Drehstromsystemen jedem Fachmann geläufig und vertraut. Sie haben bei einem dreiphasigen Stromsystem folgende Bedeutung:
    • Das Strommitsystem weist drei Vektoren gleicher Amplitude auf, nachfolgend als A, B und C bezeichnet. Die drei Vektoren A, B, C weisen einen Phasenversatz von 120° elektrisch relativ zueinander auf. Die Vektoren A, B, C rotieren gleichsinnig zu den Spannungen der Phasen 3.
  • Das Stromgegensystem weist ebenfalls drei Vektoren gleicher Amplitude auf, nachfolgend als A', B' und C' bezeichnet. Auch die Vektoren A', B', C' weisen einen Phasenversatz von 120° elektrisch relativ zueinander auf. Sie rotieren gleichsinnig zu den Vektoren A, B und C des Strommitsystems. Die Reihenfolge der Vektoren A', B' und C' des Stromgegensystems ist jedoch relativ zu den Vektoren A, B und C des Strommitsystems vertauscht. Die Reihenfolge ist also C', B', A'.
  • Auch das Stromnullsystem weist drei Vektoren gleicher Amplitude auf, nachfolgend als A", B" und C" bezeichnet. Der Phasenversatz der Vektoren A", B" und C" relativ zueinander ist null. Die Vektoren A", B" und C" rotieren also gleichphasig. Sie rotieren gleichsinnig zu den Vektoren A, B, C des Strommitsystems.
  • Die durch die Vektoren A, A' und A" beschriebenen Ströme fließen in einer der Phasen 3 des Stromsystems 2. Die Ströme B, B' und B" fließen in einer anderen der Phasen 3 des Stromsystems 2. Die Ströme C, C' und C" fließen in der dritten der Phasen 3 des Stromsystems 2.
  • Die Amplituden der Vektoren A, B, C des Strommitsystems, der Vektoren A', B', C' des Stromgegensystems und der Vektoren A", B", C" des Stromnullsystems können unterschiedlich sein. Auch die Phasenwinkel des Vektors A zum Vektor A' und zum Vektor A" können verschieden voneinander sein. Zusammen definieren das Strommitsystem, das Stromgegensystem und das Stromnullsystem die in den Phasen 3 des Stromsystems 2 fließenden Ströme.
  • Bei der Ausgestaltung von FIG 2 kann der (gemeinsame) Sternpunkt 15 der Zickzackwicklung 14 geerdet sein. Bei der Ausgestaltung von FIG 3 kann einer der beiden Sternpunkte 15, 16 von Netztransformator 4 und Zickzacktransformator 14 geerdet sein. Alternativ ist es bei der Ausgestaltung von FIG 3 möglich, dass keiner der beiden Sternpunkte 15, 16 von Netztransformator 4 und Zickzacktransformator 14 geerdet ist. Beide Sternpunkte 15, 16 sollten aber nicht geerdet sein.
  • Alternativ zum Vorhandensein einer Zickzackwicklung (siehe die Ausgestaltungen gemäß FIG 2 und FIG 3) ist es gemäß FIG 4 möglich, dass der gemeinsame Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 mit dem Sternpunkt 12, 13 eines der Filterkreise 8, 9 verbunden ist. Bei der Ausgestaltung gemäß FIG 4 ist der gemeinsame Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 somit einerseits über die Stränge 6 des Multilevelkonverters 5 und andererseits über den entsprechenden Filterkreis 8 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 verbunden.
  • Auch bei der Ausgestaltung gemäß FIG 4 ist die Verbindung über den entsprechenden Filterkreis 8 derart, dass - bezogen auf diese Verbindung - in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems 2 eine niederohmige und in Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems 2 und das Stromgegensystem des Stromsystems 2 eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts 7 des Multilevelkonverters 5 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 besteht. Beispielsweise kann zu diesem Zweck entsprechend der Darstellung von FIG 4 zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt 12 des Filterkreises 8 und dem gemeinsamen Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 eine Drossel 17 angeordnet sein. Die Drossel 17 kann insbesondere derart dimensioniert sein, dass die kombinierte Impedanz von Drossel 17 und Filterkreis 8 Null ist.
  • Anstelle der Zickzackwicklung 14 und des Filterkreises 8 kann alternativ auch eine andere Einrichtung verwendet werden, wenn sie die nachfolgenden Eigenschaften aufweist:
    • Sie ist an die Phasen 3 des Stromsystems 2 angeschaltet.
    • Sie weist einen Sternpunkt auf.
    • Der Sternpunkt der genannten Einrichtung ist mit dem gemeinsamen Sternpunkt 7 des Multilevelkonverters 5 verbunden.
    • Die Verbindung über die genannte Einrichtung ist derart, dass in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems 2 eine niederohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts 7 des Multilevelkonverters 5 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 besteht.
    • Die Verbindung über die Einrichtung ist weiterhin derart, dass in Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems 2 und das Stromgegensystem des Stromsystems 2 eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts 7 des Multilevelkonverters 5 mit den Phasen 3 des Stromsystems 2 besteht.
  • Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere ist die Spannungsbelastung des Multilevelkonverters 5 bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung um den Faktor 1,7320 niedriger als bei einer Dreieckanschaltung. Die erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung kann daher bei gleicher Leistungsfähigkeit erheblich kostengünstiger realisiert werden als eine vergleichbare Stromversorgungseinrichtung des Standes der Technik. Bei Neuanlagen, bei denen die Zickzackwicklung 14 als Sekundärwicklung in den Netztransformator 4 eingebaut werden kann, sind Einsparungen von 20% bis 40% möglich. Bei einer Nachrüstung sind ebenfalls Einsparungen möglich, auch wenn diese etwas niedriger sind.
  • Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein.

Claims (11)

  1. Stromversorgungseinrichtung für eine nichtlineare, zeitlich variierende Last (1),
    - wobei die Stromversorgungseinrichtung ein Stromsystem (2) mit mehreren Phasen (3) aufweist,
    - wobei an die Phasen (3) des Stromsystems (2) die nichtlineare, zeitlich variierende Last (1) und ein Blindleistungskompensator (5) angeschaltet sind,
    - wobei der Blindleistungskompensator (5) als Multilevelkonverter mit mehreren Strängen (6) ausgebildet ist,
    - wobei die Stränge (6) des Multilevelkonverters (5) einerseits mit je einer der Phasen (3) des Stromsystems (2) und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt (7) miteinander verbunden sind,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass der gemeinsame Sternpunkt (7) des Multilevelkonverters (5) mit einem Sternpunkt (12, 15) einer weiteren an die Phasen (3) des Stromsystems (2) angeschalteten Einrichtung (8, 14) verbunden ist, so dass der gemeinsame Sternpunkt (7) des Multilevelkonverters (5) sowohl über die Stränge (6) des Multilevelkonverters (5) als auch über die weitere Einrichtung (8, 14) mit den Phasen (3) des Stromsystems (2) verbunden ist, und
    - dass die Verbindung über die weitere Einrichtung (8, 14) derart ausgebildet ist, dass in Bezug auf das Stromnullsystem des Stromsystems (2) eine niederohmige und in Bezug auf das Strommitsystem des Stromsystems (2) und das Stromgegensystem des Stromsystems (2) eine hochohmige Verbindung des gemeinsamen Sternpunkts (7) des Multilevelkonverters (5) mit den Phasen (3) des Stromsystems (2) besteht.
  2. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weitere Einrichtung (8, 14) als Zickzackwicklung (14) ausgebildet ist.
  3. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinrichtung einen Netztransformator (4) aufweist, über den die Phasen (3) des Stromsystems (2) mit elektrischer Energie versorgbar sind, und dass die Zickzackwicklung (14) als Sekundärwicklung in den Netztransformator (4) eingebaut ist.
  4. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinrichtung einen Netztransformator (4) aufweist, über den die Phasen (3) des Stromsystems (2) mit elektrischer Energie versorgbar sind, und dass die Zickzackwicklung (14) als vom Netztransformator (4) verschiedener Zickzacktransformator ist.
  5. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass mindestens einer der Sternpunkte (15, 16) des Netztransformators (4) und des Zickzacktransformators (14) nicht geerdet ist.
  6. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinrichtung einen Filterkreis (8) aufweist, über den Oberschwingungen von Last- und Konverterströmen filterbar sind, und dass der Filterkreis (8) mehrere Stränge (10) aufweist, die einerseits mit je einer der Phasen (3) des Stromsystems (2) und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt (12) des Filterkreises (8) miteinander verbunden sind.
  7. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinrichtung einen Filterkreis (8) aufweist, über den Oberschwingungen von Last- und Konverterströmen filterbar sind, dass der Filterkreis (8) mehrere Stränge (10) aufweist, die einerseits mit je einer der Phasen (3) des Stromsystems (2) und andererseits an einem gemeinsamen Sternpunkt (12) des Filterkreises (8) miteinander verbunden sind, und dass die weitere Einrichtung (8, 14) mit dem Filterkreis (8) identisch ist.
  8. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen dem gemeinsamen Sternpunkt (12) des Filterkreises (8) und dem gemeinsamen Sternpunkt (7) des Multilevelkonverters (5) eine Drossel (17) angeordnet ist.
  9. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 8,

    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drossel (17) derart dimensioniert ist, dass die kombinierte Impedanz von Drossel (17) und Filterkreis (8) Null ist.
  10. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stromversorgungseinrichtung mindestens einen weiteren Filterkreis (9) aufweist, über den Oberschwingungen von Last- und Konverterströmen filterbar sind.
  11. Stromversorgungseinrichtung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anzahl an Phasen (3) des Stromsystems (2) drei ist.
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